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로켓은 어떻게 작동하는가?

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로켓 엔진은 쉽게 생각하면 거대한 불꽃놀이나 다름없다고 볼 수 있다. 로켓 엔진이 작동하기 위해서는 액체 수소 등의 연료와 연소를 위한 산소가 필요하다. 이런 연료와 산화제의 혼합물을 일컬어 추진제라고 부른다. 추진제가 연소하면 급격하게 팽창하는 뜨거운 가스를 생성하는데, 이때 생성되는 가스는 로켓 하단의 노즐을 통해 방출되면서 로켓을 위로 밀어 올린다.

그러나 이는 새로운 개념은 아니다. 로켓의 기원은 11세기 중국으로 거슬러 올라간다. 당시 중국은 로켓을 축제 및 전투용 등으로 사용했다. 17세기 영국의 과학자 뉴턴은 로켓을 지면에서 날아오른 후 지속해서 공중으로 이동하는 물체라 정의하였다. 뉴턴의 제3법칙인 작용과 반작용은 로켓이 작동하는 원리를 잘 설명해주고 있다. 모든 운동에는 작용과 반작용이 존재하는 것처럼, 로켓이 가스를 아래로 내뿜게 되면 그와 반대방향으로 로켓이 이동하게 되는 것이다.

로켓이 지면을 떠난 이후에는 가스 추진제의 추진력에 의존하여 수직 상승하게 된다. 로켓이 상승하는 속도는 로켓의 엔진이 생성하는 추진력과 로켓의 질량에 의해 결정된다. 로켓의 질량이 무거울수록 더 많은 추진력을 필요로 하는 셈이다. 로켓은 엔진이 작동하는 한 계속해서 상승하게 된다.

우주왕복선 아틀란티스가 미국 동부시간(EDT) 기준으로 오후 3시 46분경 연기를 내뿜으며 발사대 39B를 떠나는 모습

ⓒ NASA | 저작권자의 허가 없이 사용할 수 없습니다.

로켓 엔진의 종류

로켓 엔진에는 두 가지 종류가 존재한다. 고체 연료식과 액체 연료식으로, 우주왕복선 등 일부는 두 방식 모두를 장착하기도 한다. 한때는 핵연료를 사용하는 고효율적인 로켓이 사용되기도 했지만 핵연료는 위험부담이 매우 크기 때문에, 현재는 사용되고 있지 않다.

초기 로켓

1903년, 러시아의 과학자 콘스탄틴 치올코프스키는 액체 추진제를 사용한 로켓이 우주에 도달할 수 있다고 주장했다. 얼핏 들으면 그리 대단하지 않은 주장으로 느껴질 수 있겠지만, 치올코프스키의 주장은 900년 만에 처음으로 로켓의 디자인을 바꾼 획기적인 제안이었다.

여러 과학자들의 집요한 노력 끝에, 1926년 미국인 과학자 고다드가 최초로 성공적인 로켓 디자인을 시연하게 되었다. 고다드의 성공적 시연은 곧 우주 경쟁의 서막을 알리는 사건이 되었으며, 이후 엄청난 양의 자금이 로켓 개발에 투입되면서 우주로 진출하려는 국가 간의 경쟁이 시작되었다.

로버트 고다드와 그의 초기 로켓 디자인의 모습

고다드는 이 같은 디자인이 로켓 비행에 안전성을 더해줄 것으로 기대했다.

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마이크 플린 집필자 소개

영국 과학박물관의 과학자이자 수학자로, 옥스퍼드 사전 편찬 작업에 컨설턴트로 참여했다. 테크놀로지, 우주 등 다양한 과학 분야에서 일반인을 위한 작품을 집필 중에 있다.

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손안의 우주
손안의 우주 | 저자마이크 플린 | cp명지브레인 도서 소개

누구나 쉽게 이해하는 우주이야기! 태양계의 행성과 별에 관한 모든 것, 암흑물질과 우주 그리고 은하에 관한 지식들을 소개한다. 새롭게 시도되는 우주 탐사 미션들까지 우..펼쳐보기

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